阻燃有機硅材料的制備方法與應用研究

普通有機硅材料易燃，在防火安全要求高的場景使用受限。火災會造成巨大的生命財產損失，因此研發阻燃有機硅材料刻不容緩[1]。隨著現代工業和科技的飛速發展，有機硅材料具備優異的耐高低溫、電氣絕緣、耐候性等特性，在電子、航空航天、建筑等眾多領域應用廣泛。制備具有良好阻燃性能的有機硅材料，既能保留其原有優勢，又能滿足不同行業的防火安全需求。

1阻燃有機硅材料概述

1.1有機硅材料的基本結構與性能特點

有機硅高分子材料是近年來開發的新型高效環保無鹵阻燃劑，作為成炭型的抑煙劑，能夠賦予高聚物在阻燃以及抑煙的過程中，改善材料的機械強度以及加工性能[2]

1.2 阻燃有機硅材料的定義與分類

阻燃有機硅材料是指經特定化學改性或添加阻燃劑等方式，具備阻燃性能的有機硅材料。根據阻燃方式和化學結構，阻燃有機硅材料主要分為以下幾類：

（1）反應型阻燃有機硅材料。在有機硅聚合物的合成過程中，將含有阻燃元素（如磷、氮、溴等）的單體引入分子鏈中，使材料本身具備阻燃性能。例如，含磷有機硅單體參與合成的聚硅氧烷，磷元素在燃燒時能促進成炭，起到阻燃作用。

（2）添加型阻燃有機硅材料。在有機硅材料中添加阻燃劑（如氫氧化鋁、氫氧化鎂等無機阻燃劑），或有機磷系、有機鹵系阻燃劑。

（3）硅系阻燃劑改性有機硅材料。利用硅系阻燃劑（如籠型倍半硅氧烷POSS）對有機硅材料進行改性，POSS獨特的籠狀結構能增強材料的熱穩定性和阻燃性，改善材料的力學性能。

2阻燃有機硅材料的制備方法

2.1 共聚法

共聚法是制備阻燃有機硅材料的方法之一，將含有阻燃元素（如磷、氮、硼等）的單體與有機硅單體進行共聚反應，把阻燃基團引入有機硅分子鏈中。以含磷單體與有機硅單體共聚為例，操作時，將有機硅單體和含磷單體按一定比例加入反應釜，加入適量催化劑（如辛酸亞錫等），在氮氣保護下，升溫至 120～150^°C ，反應 3～5h 。通過控制單體比例和反應條件，可調節聚合物分子結構和性能。共聚法制備的阻燃有機硅材料，阻燃性能持久，與有機硅基體相容性好，分子結構中阻燃基團與有機硅鏈段緊密結合，不易遷移和揮發。

2.2 共混法

共混法是將阻燃劑與有機硅聚合物通過物理混合制備阻燃有機硅材料。常見的阻燃劑有氫氧化鋁、氫氧化鎂、有機磷系阻燃劑等[3]。以氫氧化鋁與有機硅橡膠共混為例，制備流程如下：

（1）將有機硅橡膠在開煉機上塑煉，使其具有良好加工性能。

（2）按一定比例加入經表面處理（如用硅烷偶聯劑處理）的氫氧化鋁，在開煉機上充分混煉均勻，混煉時間 15～20min 。

（3）混煉好的物料在平板硫化機上硫化成型，硫化溫度 160～180^qC ，硫化時間根據制品厚度而定，一般 10～20min 。

2.3接枝法

接枝法是將具有阻燃性能的支鏈通過化學反應接枝到有機硅主鏈上，賦予有機硅材料阻燃性能。以含有雙鍵的有機硅聚合物與含磷阻燃單體進行接枝反應為例，反應機理如下：引發劑（如過氧化二苯甲酰，BPO）分解產生自由基，引發有機硅聚合物主鏈上的雙鍵與含磷阻燃單體發生自由基加成反應，實現接枝。其制備步驟如下：

（1）將有機硅聚合物溶解在適當溶劑（如甲苯）中，加入一定量引發劑BPO，攪拌均勻。（2）緩慢滴加含磷阻燃單體，在 80～100^°C 溫度下反應 4～6h 。（3）反應結束，通過沉淀、過濾、洗滌等步驟分離出接枝產物，干燥后得到阻燃有機硅材料。

3阻燃有機硅材料的性能表征

3.1 阻燃性能測試方法與標準

測試時，將一定尺寸試樣垂直固定在燃燒筒內，從底部通入氧氮混合氣體，點燃試樣頂端，觀察試樣燃燒情況。不斷調整氧氮混合氣體比例，直至找到維持試樣平穩燃燒所需最低氧濃度。公式為：

LOI為極限氧指數， V_O2 為氧氣的體積流量， V_N2 為氮氣的體積流量。例如，某阻燃有機硅材料在氧氣體積分數為 28.3% 時能維持平穩燃燒，該材料的LOI值為28.3。表1展示了不同配方的阻燃有機硅材料的LOI測試結果。

常見標準為UL94的垂直燃燒測試，將一定尺寸試樣垂直懸掛，用特定火焰點燃試樣底部 10s 。移開火焰，觀察試樣燃燒行為，如是否有火焰蔓延、燃燒時間、是否有熔滴等，并根據這些現象將材料阻燃等級劃分為 V-0，V-1，V-2 等。V-0級為最高阻燃等級，要求試樣在移開火焰后10s內熄滅，且沒有熔滴引燃脫脂棉等。

3.2 熱穩定性分析

熱重分析是在程序控制溫度下，測量物質質量與溫度變化關系的一種熱分析技術。在氮氣條件下，以10^°C/min 的升溫速率對阻燃有機硅材料進行測試。隨著阻燃劑含量增加，材料的起始分解溫度逐漸升高，表明其熱穩定性增強。例如，當阻燃劑質量分數為 15% 時，起始分解溫度為 350^qC ；當阻燃劑質量分數增加到 25% 時，起始分解溫度升高到 380^°C 。

DSC是測量輸入試樣和參比物的功率差與溫度關系的一種技術。通過DSC曲線，可得到材料的玻璃化轉變溫度（ T_g） 、熔點（ T_m） 等信息。對于阻燃有機硅材料， T_g 反映材料從玻璃態轉變為高彈態的溫度，對材料使用性能有影響。

3.3 力學性能測試

使用萬能材料試驗機，將啞鈴狀的試樣裝夾在夾具上，以一定的拉伸速率（如 50mm/min ）進行拉伸，直至試樣斷裂。記錄下斷裂時的最大載荷 （F） 和試樣的原始橫截面積（S），通過公式 計算拉伸強度。同時，測量試樣的斷裂伸長率，即試樣斷裂時的伸長量與原始標距長度的比值，以百分數表示。表2為不同配方的阻燃有機硅材料的拉伸性能測試結果。

依據GB/T9341—2008《塑料彎曲性能的測定》標準，將矩形試樣放置在彎曲試驗裝置上，以一定的加載速率（如 2mm/min ）對試樣施加彎曲載荷，記錄下試樣斷裂或達到規定撓度時的載荷 （F） ，通過公式σf= 計算彎曲強度。其中， L 為試樣跨度，b 為試樣寬度， h 為試樣厚度。

4阻燃有機硅材料的應用領域及發展趨勢

4.1 電子電氣領域

在集成電路封裝中，有機硅灌封膠發揮關鍵作用。它具備良好電氣絕緣性，且能有效阻燃，可防止因電路短路引發火災[4]。智能手機的主板會使用有機硅灌封膠對芯片等關鍵部件進行封裝，以保證手機在復雜環境下穩定運行。在電線電纜行業，阻燃有機硅橡膠用作絕緣護套，遭遇高溫或明火時，能延緩燃燒速度，保障電力傳輸安全，防止火災蔓延。

4.2 航空航天領域

飛機內飾材料如座椅、艙壁等，大量采用阻燃有機硅復合材料。這種材料在保證輕量化的同時，不僅能夠提高阻燃效果，還能夠改善材料的加工性能以及機械性能。在航天器熱防護系統中，有機硅基的耐高溫阻燃涂層發揮重要作用。航天器重返大氣層時，表面溫度急劇升高，該涂層能有效抵御高溫，保護航天器結構安全。

4.3建筑領域

有機硅高分子材料具有優異性能以及環保等優點，符合目前阻燃劑發展的趨勢。在建筑幕墻的密封中，有機硅密封膠具備良好黏結性和耐候性，還能阻燃。火災發生時，它可以阻止火焰和煙霧通過縫隙蔓延，為人員疏散和消防救援創造有利條件。在建筑保溫材料方面，經阻燃有機硅改性的聚苯乙烯泡沫板，可保持良好保溫隔熱性能，顯著提高阻燃等級，符合建筑防火安全標準，已廣泛應用于各類建筑中。

5結語

阻燃有機硅材料采用共聚法、共混法、接枝法等多種制備方法，賦予有機硅材料良好的阻燃性能，保留其熱穩定性、電氣絕緣性等原有優異特性。經多種性能表征手段測試，其在阻燃性能、熱穩定性和力學性能等方面表現出色，能滿足不同應用場景需求。在電子電氣、航空航天、建筑等領域，阻燃有機硅材料已展現出重要應用價值，為各行業安全與發展提供有力支撐。

參考文獻：

［1］王鑫.含硫有機硅磷阻燃成炭劑的合成與應用[J].山西化工，2023，43（3）：31-32，35.

[2］陳軻，劉鳴飛，趙彪，等.有機硅改性高分子材料阻燃及耐燒蝕性能研究進展［J].中國塑料，2022，36（6）：149-154.

［3］張賢珍.阻燃有機硅泡沫材料的制備與性能研究[D].株洲：湖南工業大學，2021.

［4］許德煥.有機硅阻燃劑的合成及其阻燃聚碳酸酯的研究[D].常州：常州大學，2021.